자동차용 지능형 센서모듈 및 소재기술 동향(3)
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자동차용 지능형 센서모듈 및 소재기술 동향(3)
  • 신윤오 기자
  • 승인 2013.12.03 00:00
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자동차용 지능형 센서모듈 및 소재기술 동향(3)


소비자의 안전과 편의를 위한 시스템인 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 개발도 경쟁이 치열하다. 국가별로 규제를 강화하는 추세여서 첨단 안전 시스템의 개발이 불가피한 형국이다. 이러한 ADAS는 센서 기술의 발전과 전자/반도체 기술의 발전으로 가능하게 되었다. 자동차를 더 똑똑하게 만들기 위해서는 사람의 감각 기능처럼 작동할 수 있는 센서들이 필요하다. 이 기술 조사에서는 현시점에 자동차에 장착되고 있는 지능형 센서들의 해외 기술 개발 동향 및 차후 발전 방향을 추정하여서 차후 5년 후 지능형 자동차의 응용을 가늠하고 해외 선진 기술 개발 분야가 있다면 해외와 협력하여, 국내 개발기간을 단축하거나 직접 개발 방향을 설정하고자 한다.

글: 최성우 / 한국과학기술정보연구원(KISTI)
자료 협약 및 제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) /
www.kosen21.org


<지난호에 이어서 계속>

 

Fusion system
보행자 충돌 방지 시스템

보행자 사고를 줄이기 위해서 Front camera를 이용하여 보행자를 검출해 내는 기술이 속속 나오고 있다. 수많은 보행자 표본을 추출하여 machine learning을 통해 학습된 이미지 프로세싱 기술을 사용한다. 카메라만으로는 보행자와의 거리 정보를 정확하게 알기는 어려우므로 레이저나 레이더센서를 함께 사용하여 이로부터 얻는 거리 정보와 이미지 정보를 융합하여 정확하게 보행자를 검출하게 된다.
보행자 충돌방지 시스템은 보행자와의 충돌 직전, 운전자가 모든 경고에도 반응하지 않으면 자동차가 스스로 멈춰 선다. 이 시스템은 일반적으로 차량 그릴에 통합된 최신형 듀얼모드 레이더 시스템, 백미러 안쪽에 설치된 카메라 시스템 그리고 중앙 통제 장치로 구성된다.
우선 이 시스템은 실시간으로 도로상황이 모니터링 되는 것으로 시작된다. 이때 레이더 시스템은 전방의 물체와 거리를 측정하고 카메라 시스템은 물체의 형태를 판단한다. 만약 사고가 예상되는 긴급 상황이 발생할 경우, 강력한 음향 경고와 함께 윈드 스크린의 헤드업 디스플레이를 통한 빛의 점등으로 최초 경고가 이루어진다.
이때 즉각적이고 직관적인 반응이 이루어질 수 있도록, 시각적인 경고는 브레이크 등과 유사한 형태로 설계되었다.
최종적으로 운전자가 모든 경고에도 반응하지 않고 충돌상황에 직면할 경우, 차가 스스로 브레이크를 작동시켜 멈춰 선다. 이 시스템은 2016년부터 유럽 신차에 의무 장착된다.


 

카메라+레이더 모듈
시스템 자체의 개발도 쉽지 않은 문제지만, 기존의 자동차 디자인은 이 같은 지능형 시스템에 필요한 센서의 장착을 고려하지 않았다. 따라서 자동차 차체에 장착하는 일마저도 해결해야 할 난제이다. 앞으로 미래형 자동차 디자인은 이러한 시스템에 알맞게 진화되는 것이 필요하다.





레이더의 최적 위치는 자동차의 정중앙인데 자동차의 중앙에는 그릴 밑 로고 등으로 레이더 장착이 쉽지 않다. 그리고 카메라와 정보 융합이 필요할 땐 둘 사이가 가까울수록 노이즈나 비용 면에서 유리하다. 이러한 여러 문제를 해결하기 위해 Delphi사에서는 카메라와 레이더를 통합한 센서 모듈 Racam을 발표하였다.
이 최신 센서 퓨전 제품인 레이켐(RACam)은 레이더 센싱, 비전 센싱 그리고 퓨전을 위한 데이터 처리 및 계산능력을 단일 모듈에 통합한다. 이는 카메라+레이더의 모든 운전자 지원 시스템들을 단일 모듈로 통합하는 획기적인 기술이다.
단일 모듈로 통합한 델파이의 Racam은 비 통합형 시스템 대비 현저히 경제적이며 가볍고 작아졌다. 이 레이캠 하나로 차량이나 보행자와의 충동 위험시 전자동으로 차량을 정지시키는 등 위험한 상황에서 운전자가 미처 대처하지 못할 때에 적절히 대응할 수 있다.
또한, 혁신적인 디자인을 통해 룸미러 뒤쪽의 전면 유리에 장착에 될 정도로 소형화를 이루었다.
기존의 레이더는 차량 앞쪽 그릴 뒷면에 장착되는 반면 델파이의 레이캠은 충돌 부위에서 떨어진 위치에 장착됨에 따라 전면 충돌로 발생하는 수리 비용을 줄일 수 있다.
보행자 충돌 방지 시스템의 의무장착 시대의 도래로 이 카메라+레이더 단일 모듈은 알맞은 솔루션으로 주목받고 있다.

Over Speed Prevention(OSP)
OSP는 차량이 현재 달리고 있는 구간의 제한 속도 값을 운전자에게 알려주어 과속방지를 도와주는 시스템이다. OSP는 기본적으로 TSR에 기반을 둔다.
그러나 TSR은 빛의 영향도 많이 받고 다른 차량에 가려진 교통표지판은 놓치게 되는 경우가 많다.
내비게이션 시스템을 사용할 수도 있는데 이는 GPS 신호를 기반으로 차량의 현재 위치를 계산하고 현재 위치에 적용될 수 있는 제한속도 값을 데이터베이스로부터 찾아서 알려준다. 그러나 시스템의 업데이트가 자주 이루어지지 않아서 공사구간의 임시 제한 속나 새로 생긴 도로의 제한 속도를 정확하게 알려 주지 못하는 한계점이 있다. 이러한 각 센서의 약점을 서로 보완하기 위해 두 시스템을 융합(fusion)한다. 각 센서의 특성이 다른 만큼 이 둘은 서로의 약점을 아주 잘 커버한다. 융합 알고리즘으로는 Dempster-Shafer belief theory가 자주 사용된다. 각 시스템의 정확도가 70퍼센트 정도 된다고 할 때, 융합을 통해서 정확도를 90퍼센트 이상으로 향상할 수 있다. 최근에는 내비게이션 정보 포맷을 표준화하기 위한 움직임이 활발하며 이를 통해 ADASIS 프로토콜이 탄생하였다. 앞으로 내비게이션 정보를 이용한 ADAS 개발을 위해서는 이 프로토콜 사용이 불가피할 것으로 예상한다. OSP(TSR)는 2013년부터 유럽 신차에 의무 탑재된다.


 

조향각 센서
최근의 자동차 핸들에는 핸들의 움직임을 감지하는 센서가 기본으로 장착되어 있다. 조향휠 각속도 센서는 스티어링 휠 하단부위에 장착되어 있으며 핸들의 조향 속도, 조향 방향 및 조향각을 검출하는 역할을 한다.
조향 휠 내부에 3개의 포토트랜지스터와 슬리트판으로 구성되어 있다. 조향각 센서는 광소자 방식으로 조향 시 센서의 슬리트판이 회전하면서 광소자의 빛을 통과하거나 차단되면서 전압의 변화가 생기고 이것을 ECU가 받아들여 핸들의 조향 속도, 조향 방향 및 조향각을 검출하는 판단을 한다.
보쉬가 이 센서를 이용 스티어링의 움직임을 모니터링 해 운전자의 집중력 저하를 감지하여 졸음 운전을 방지하는 시스템을 발표하였다. DDD(Driver Drowsiness Detection)로 불리는 이 시스템은 폭스바겐사의 파사트에 2010년부터 탑재되었고 최신 버젼은 파사트 올트렉에 탑재된다.
치명적 사고의 대부분은 운전자의 집중력 저하 및 졸음운전에서 비롯된다는 조사가 있다. 피곤 또는 졸음으로 인한 집중력 저하를 DDD 시스템이 감지하고 운전자에게 경고음을 울려 사고 방지에 크게 도움이 된다.
DDD는 EPS, 스티어링 앵글 센서와 연동해 운전대의 움직임을 지속해서 모니터한다. 평소와 다른 움직임이 발견되면 졸음운전으로 간주하고 경고음을 발생시키는 시스템이다.
집중력이 저하되고 피곤이 몰려오면 운전자의 방향전환 능력이 부정확해지고 반응시간이 느려진다. 졸음이 몰려오기 시작하면 운전자는 스티어링 휠의 작은 에러를 빈번하게 수정하게 된다.
보쉬의 DDD 시스템은 운전자가 시동을 걸어 운전을 시작하면 운전자의 핸들링을 감시하기 시작하여 정상적인 행동양상에서 벗어난 움직임이 일어나는지 감시한다.
가장 전형적인 비정상적인 행동은 방향전환이 드물어지고 차선을 유지하기 위한 약하지만 급작스러운 조향이다. 이런 변화가 일어나는 빈도, 시간대, 이동 시간 등 여러 파라미터를 고려하여 운전자의 피곤한 정도를 계산한다. 이 값이 어느 문턱 값을 넘으면 시스템이 운전자에게 경고 메시지를 주게 된다.
보쉬의 DDD 시스템은 기존 차량에 기본적으로 이미 장착된 센서들로부터 오는 정보와 기본 정보만을 사용하여 소프트웨어적으로 운전자의 졸음을 감지하는 시스템이기 때문에 비용이 많이 들지 않고 기존에 있던 어느 ECU에나 여유 공간이 있으면 장착할 수 있다. 즉 적은 비용이면서 복잡하지 않은 시스템으로 효과적으로 졸음운전을 방지할 수 있다.




레인 센서

레인 센서(Raim Sensor)는 LED와 광 감지기에 의해 비의 양을 감지한다. LED로부터 적외선이 방출되면 유리 표면에 빗물에 의해 반사되어 돌아오는 적외선을 포토 다이오드가 이를 감지하여 비의 양을 감지한다. 레인 센서는 유리 투과율을 스스로 바로잡는 서보(Servo) 회로를 갖고, 앞창 유리의 투과율에 상관없이 일정하게 빗물 감지를 하는 기능을 가진다.
앞창 유리의 투과율은 LED와 광감지기와의 중앙점 바로 위에 있는 유리 영역에서 결정된다.
레인 센서 와이퍼 제어 시스템은 기존의 와이퍼 기능 즉, OFF, MIST, LOW, HIGH, WASHER 기능에 AUTO 모드(기존의 INT 위치)가 있어 이 AUTO 위치에 놓으면 레인 센서에서 유리에 떨어지는 비의 양을 감지하여 와이퍼 작동시간 및 와이퍼 작동 속도를 LOW 또는 HIGH로 자동 제어한다.




조도 센서

조도 센서는 광전도 소자(cds)를 이용하여 빛의 밝기를 감지한다. 광전도 소자는 조도가 증가하면 저항이 감소하고 조도가 감소하면 저항이 커지는 성질을 가지고 있다. 조도 센서를 사용하는 오토라이트 제어는 미등 및 헤드램프를 자동으로 점등, 소등을 시키는 시스템으로 일반적으로 레인 센서에 통합되며 주위 조도의 변화를 감지하여 운전자가 다기능 스위치를 조작하지 않아도 자동 모드에 위치하면 자동으로 미등 및 헤드램프를 점등, 소등시켜준다.
주간 주행 중 터널 진, 출입 시 또는 안개, 비, 눈, 등으로 주위 조도 변화 발생 시 작동한다.

- 카메라+비+조도 센서 모듈
전방향 카메라는 룸미러 뒤쪽 공간 중에서도 와이퍼가 지나는 표면에 설치되어야 하므로 주어진 공간이 그리 넉넉하지 않다.
그러나 이 공간에는 카메라뿐만 아니라 비+조도 센서도 위치하여야 하므로 세 가지 센서를 따로따로 설치하기엔 공간이 많이 부족하다. 특히 평행와이퍼가 아니라 버터플라이형태의 와이퍼일 땐 공간이 더욱 부족하게 된다. 이러한 공간의 제한 문제를 해결하게 위해 세 가지 센서를 하나의 모듈로 통합한 제품이 등장하였다. Kostal의 카메라 모듈로 비와 조도 센서를 셔터 부분에 통합하여 최적의 공간 활용을 보여주고 기존 차량 디자인에 쉽게 통합될 수 있는 디자인이다.




가속도 센서

가속도 센서는 물체에 작용하는 가속력, 진동력 및 충격력 등의 동 적 힘을 순간적으로 감지한다. 자동차, 기차, 항공기 및 선박 등 운송기기에 폭넓게 활용할 수 있다. 자동차에선 에어백(airbag)에 들어가는 핵심소자이며, 전자식 엔진제어시스템, ABS(anti-lock braking system), 지능형 현가장치(smart suspension system), 조향시스템(steering system), 자동잠금장치(auto- door lock system) 등의 핵심부품으로도 사용되고 있다.

가속도 센서의 종류

1) 기계식 가속도센서

정지계를 기준으로 관성 가속도를 측정하는 형식으로, 질량에 작용하는 가속도에 의한 반력, 즉 관성력을 이용한다.

2) 실리콘 가속도센서
실리콘 가속도센서는 크게 3가지 부분으로 나누어진다. 가속도 즉, 힘을 받아들이는 실리콘 미세 기계구조부와 힘을 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환 소자부, 정격출력을 만들어 주는 신호처리부로 구성되어 진다.
변환소자 부는 감지원리에 따라 압전형, 압저항형, 용량형 등으로 나눌 수 있다. 압전형은 ZnO과 같은 압전물질의 응력에 대한 전기 분극을 이용하며, DC 가속도의 측정이 불가능한 단점이 있다. 압저항형은 확산에 의한 저항만 형성하면 되므로 다른 센서에 비하여 공정이 간단하며, 선형성 및 주파수 특성이 좋으며 DC 가속도의 측정이 가능하다. 정전용량형은 미세구조부의 변위에 의한 정전용량변화를 측정하며, 감도(sensitivity)가 높지만 공정이 상대적으로 복잡하다. 주파수 변환 회로가 하나의 칩 내에 실장 되어야 하며, 선형 성(linearity)이 나쁜 단점이 있다.

가속도 센서의 기술 개발 동향
가속도센서의 연구는 이미 상용화가 실현된 자동차 에어백용으로부터 보다 높은 정밀도를 필요로 하는 항공기의 내비게이션 시스템에 이르기까지 발하고 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 추세는 당분간 지속할 것으로 보인다. 가속도센서는 압력 센서나 유량 센서 등에 비하여 MEMS 기술 분야에서 보다 많은 연구들이 진행되어왔으며, 더 쉽게 소형화, 집적화할 수 있는 장점과 이를 통한 상품화 가능성 덕분에 앞으로도 이러한 추세는 당분간 지속할 것으로 판단된다. 1991년 미국의 아나로그 디바이 (ADI)에서는 세계 최초로 표면 마이크로머시닝을 이용하여 ±50g의 에어백 가속도 센서를 개발하였으며, 질량 및 스프링 등의 미세 구조물뿐만 아니라 증폭회로, 보정 회로 및 자체 진단 기능까지 모두 하나의 칩으로 집적화시키는 데 성공하였다. 이 센서 소자의 전체적인 칩의 크기는 3×3mm²이며, 칩의 중앙 부에 약 1×0.7mm² 크기의 감지 부가 있고 그 주위를 신호 처리 회로부가 둘러싸고 있다.
가속도센서는 초소형 진동구조물(폴리실리콘)을 표면 마이크로머시닝 기술을 사용하여 실리콘웨이퍼 위에 제작한 것으로 가속도가 인지되면 구조물의 위치가 변해 진동이나 충격을 측정하는 센서이다. 최근에 삼성종합기술원에서 개발한 극소형 가속도센서는 반도체 표면 미세 가공방식으로 제작되어 반도체회로와 같은 칩(On-chip)에 집적화할 수 있어 앞으로 제품 적용 시 경제성이 높은 것으로 보인다.
가속도센서의 연구는 센서의 감지를 위한 미세구조물과 신호처리 회로의 집적을 통한 센서의 다기능화 및 고성능화 경향이 지배적이다. 센서 내에 액추에이터를 내장시킴으로써 폐회로 제어를 실현함과 동시에 자기진단기능을 부가하여 성능 향상을 꾀하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

유량 센서

유량 센서 특성
유량은 압력, 온도, 레벨 등과 함께 산업현장에서 가장 많이 측정되는 측정량 중의 하나로 유량 측정은 가장 측정하기가 까다로우며 측정 방법도 측정 목적(정밀 측정용, 공정용) 및 액체, 기체, 증기, 유체의 물성(밀도, 점도, 비열, 온도, 압력, 전기전도도 등)에 따라 매우 다양하다. 유량 측정은 다른 측정량과는 달리 직접 유량을 측정하는 방식은 매우 적으며, 다른 물리량을 측정하고 이 측정된 정보로부터 유량을 산출하는 방식이 대부분이다.

유량 센서의 종류
1) 반도체 기술을 이용한 유량 및 유속센서
반도체 기술을 이용한 유량 및 유속센서는 열선 유속계에서 발전되어 왔다. 반도체 산업이 급속히 발달하고 마이크로머시닝 기술(micromachining technology)이 최근 개발됨에 따라 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 센서의 개발이 가능하게 되었다.
열선 유속계의 유체에 의한 열선의 방열 효과 원리가 반도체를 이용 한 유량 및 유속센서에도 그대로 적용되며 열선 대신 박막을 이용한 연구가 진행되고 있다.

2) 전자기 유량 센서
전자기 유량 센서도 유량을 직접 측정하는 방식이 아니고 기전력을 측정하며, 이 측정된 기전력을 이용하여 유량을 산출하는 방식을 택하고 있다.

3) 초음파 유량 센서
초음파 유량 센서는 시차 방법, 주파수 차 방법, 도플러 방법 등이 개발되어 실용화되었다. 정확도는 다른 정확한 유량 센서에 비하여 뒤떨어지는 편이지만 비접촉으로 유량을 측정할 수 있다는 초음파 유량 센서 특유의 장점을 살려 많이 적용되고 있는 편이다.
이들 유량 센서는 측정원리가 각각 다르고 정확도, 측정범위 등이 달라 유량측정 목적, 유체의 종류, 요구되는 정확도, 측정범위, 경제성을 고려하여 가장 적합한 유량 센서를 선정하여야 한다. 선정된 유량 센서는 유량 센서가 요구하는 설치조건에 맞게 전 후단의 직관 부가 잘 형성되고 기포가 생성되지 않는 지점에 설치하여야 한다. 또한, 유량 센서는 사용 환경에 따라 그 특성 변화가 다르므로 일정 주기마다 교정검사를 받아야만 이 측정 오차를 최소화하고 신뢰성을 유지할 수 있다.

타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)

자동차에서 타이어는 지면에서 차체를 지지하고 움직일 수 있도록 해주며 승차감이나 주행 안전성, 연비에 많은 영향을 주는 부품이기도 하지만 조향 성능과 브레이크 성능에도 영향을 주는 부품이다. 이렇게 타이어가 중요한 기능을 유지하려면 타이어에 주입된 공기압력이 적정하여야 한다.
타이어의 규정 공기압력은 자동차 무게나 적재량, 온도에 따라 다르게 결정되지만, 적재량에 큰 변화가 없는 승용차에서는 일반적인 상온에서의 규정 값이라면 외부온도나 승차인원에 따라 공기압을 조정하지 않아도 되지만 현재 타이어의 공기압이 얼마인지 모르는 자동차 사용자들이 대부분이다. 타이어 공기압에 따라 승차감이나 자동차의 운동성능이 다르게 나타나지만, 일반적인 주행상태라면 실제적으로는 크게 문제가 되지 않는다. 자동차 사용자에게 직접 영향을 끼치는 것은 비용과 관련된 타이어의 수명이나 연비, 그리고 공기압 저하로 발생하는 타이어의 파손과 이에 따른 사고의 위험성이다. TPMS는 타이어 압력을 주기적으로 확인하여 타이어 공기압이 시스템에서 정한 범위 (규정 압력의 ±10~15%)를 초과하면 타이어 공기 압력에 이상이 있다는 것을 자동차 사용자에게 알려주는 시스템이다.
초기의 TPMS는 자동차에 적용된 안전장치인 ABS 시스템을 이용하여 ABS 시스템에서 사용하는 휠 속도 센서의 신호를 이용하여 공기압이 낮아지면 타이어의 회전수가 증가하는 원리를 이용하여 자동차의 모든 타이어의 속도를 서로 비교하는 소프트웨어적 방법을 사용하였는데 이 형식에서는 타이어의 마모나 서로 다른 마모량에 의한 오차 등 수많은 변수로 인하여 정확도가 낮아지는 단점이 있다.
이후 타이어 휠 내부에 압력센서와 온도센서, 무선송신기를 일체화하고 안테나 1개를 설치하여 각 타이어의 공기압력을 무선으로 수신하는 무선타입의 TPMS가 개발되었다. 이 시스템은 무선시스템의 약점인 외부 신호에 취약하고 안테나가 1개라 각 타이어의 위치를 정확하게 구별하기 어려워 특정한 타이어의 공기압력이 낮다고 표시할 수 없어 모든 타이어의 공기 압력을 확인하여야 하는 번거로움이 있다. 상대적으로 고가 등의 원인으로 일부 고급차종에만 적용되었다. 하지만 2000년 이후에 반도체 기술의 발전과 무선기술의 발전과 함께 타이어 공기압의 문제로 전복사고가 발생했던 미국에서 2003년 이후 미국에서 판매되는 자동차에 TPMS 를 의무적으로 장착되어야 한다는 법이 만들어지면서 기존의 무선 TPMS 시스템에서 센서 당 1개의 안테나를 설치하여 신뢰성을 향상한 1:1형식의 무선 TPMS가 개발되었다. TPMS는 자동차 메이커에서 직접 개발하기보다는 자동차 부품/시스템 업체나 전자 업체에서 개발하고 있으며 기본적인 기능은 같지만 무선주파수대나 무선 송수신 방법, 다른 시스템과의 통합 여부의 차이가 있다.
TPMS 구성부품으로는 센서모듈, 안테나 모듈, 인디케이터, 컨트롤 모듈로 구성된다. 센서모듈은 압력센서와 온도센서, 무선송수신기, 공기주입구가 일체로 모듈화된 것으로 타이어 1개당 1개씩 해당 타이어와 결합된 휠에 설치된다. 센서 모듈은 휠 안쪽 타이어 내부에 설치되므로 별도의 전원을 공급할 수 없어 전지를 이용하여 전원을 공급받으므로 전지의 수명이 센서모듈의 수명을 결정하게 된다. 센서모듈에서는 공기압력 신호를 항상 송신하는 것이 아니고 일정한 주기(예를 들면 1분마다 1회씩)로 신호를 송신하며 수신기도 설치하여 평소에는 대기모드에 있다 컨트롤 모듈의 명령에 따라 송신을 개시하기도 한다. 센서 모듈은 시스템 메이커나 자동차 메이커에 따라 휠 모듈, 공기압 센서라고 부르며 장착위치(휠)가 진동이 많고 온도변화가 심하여서 내구성이 높아야한다. 센서 모듈은 시스템 메이커나 자동차에 따라 송신기능만 있는 형식과 송신과 수신기능이 모두 있는 형식도 있다. 센서 모듈에 고유의 번호(ID)를 부여하여 어느 센서 모듈이 자동차의 어느 타이어의 압력을 나타내는지 확인하기도 한다.
센서 모듈은 타이어마다 1개씩 의무적으로 있어야 하지만 안테나 모듈은 시스템에 따라 1개만 사용하는 형식, 차륜 1개당 1개씩 사용하는 형식, 센서 모듈 2개에 안테나 모듈 1개, 또는 센서모듈 1개당 1개의 안테나 모듈을 사용하는 형식이 있다. 안테나 모듈의 수가 많을수록 비용은 증가하지만, 외부 전파원에 대한 영향이 적고 시스템의 로직도 간단하다. 최근의 TPMS에서 안테나는 센서 모듈과 1:1로 설치되기 때문에 무선방식이지만 신뢰성이 많이 향상되었다. 안테나 모듈은 타이어와 가까운 곳에 무선 노이즈가 작은 곳에 고정하여 설치되는데 센서 모듈과 장착거리에 따라 신호의 크기도 변화되는 특징이 있어 자동차가 주행하는 조건에서는 타이어가 회전하므로 센서 모듈과 안테나 모듈과의 거리가 가까워졌다 멀어지기를 반복하며 신호를 받는데 다른 타이어의 센서 모듈 신호도 감지되지만 가장 가까운 센서모듈의 신호를 자신의 신호로 인정하게 된다.
안테나 모듈은 센서모듈의 신호를 컨트롤 모듈에 전달하기도 하지만 컨트롤 모듈의 신호로 대기모드에 있는 센서모듈을 작동개시 신호를 보내기도 한다. 안테나 모듈 중 수신 기능 뿐 아니라 송신 기능이 있는 것은 LFI(Low Frequency Initiator나 간단하게 Initiator)라고 부르기도 한다.
인디케이터는 TPMS의 작동결과인 타이어 압력 상태를 자동차 사용에게 시각적으로 알려준다. TPMS 사양에 따라 차이가 많은 것이 인디케이터인데 단순한 경고등이나 알람을 이용하여 자동차 사용자에게 타이어 공기압의 이상을 알려주는 시스템에서부터 LCD 모니터를 사용하여 각 타이어의 압력이나 상태를 숫자나 램프 색상으로 독립적으로 나타내면서 경고 메시지도 규정압력과의 차이에 따라 색상을 변화시키거나 점멸기능을 이용하여 사용자가 쉽게 인지할 수 있도록 한 고급시스템도 있다.
컨트롤 모듈은 센서 모듈의 타이어 압력 신호를 안테나 모듈을 통하여 전달받아 시스템에서 정해진 규정 값을 초과하게 되면 인디케이터를 통하여 자동차 사용자에게 알려준다. 컨트롤 모듈은 자신의 시스템(TPMS)이 정상적으로 작동하는지 확인하는 자기진단 모드와 센서모듈이 보내는 신호가 어느 타이어인지를 식별하는 모드, 작동 모드와 대기모드 등으로 로직이 구성된다. 센서 모듈과 안테나 모듈이 1:1인 경우에는 안테나 모듈의 위치는 변화되지 않으므로 센서모듈의 ID가 일치되는지 확인하면 되고 일치하지 않는다면 컨트롤 모듈은 다른 안테나 모듈의 신호는 차단시키고 해당 안테나 모듈의 신호만 활성화해 가장 신호가 강한 센서모듈을 해당 안테나 모듈의 위치와 일치시키는 방법이나 안테나 모듈의 송신신호에 응답하는 센서모듈을 일치시키는 방법을 사용하는데 이것은 저출력 무선신호는 거리에 따라 신호의 크기(세기)가 변화하는 것을 이용하는 것이다. 컨트롤 모듈은 다른 시스템과 연동되는 경우에 통합 모듈을 사용하기도 하고 독립적으로 사용되기도 하며 일부 제조업체에서는 리시버라고 부르기도 한다. TPMS는 자동차 IG 전원이 ON되면 작동되기 시작하여 현재의 타이어 압력을 확인하여 이전의 주행 중에 입력된 타이어 압력과 비교하고 각 센서 모듈의 위치가 변경되지 않았는지 확인하는 절차를 실시하며 이상이 없다면 센서모듈의 전지소모량을 줄이기 위하여 연속적으로 신호를 보내지 않고 일정한 시간을 두고 정기적으로 송신하게 된다.
1개의 타이어에 센서모듈과 안테나 모듈이 조합된 1:1 형식에서는 각 센서 모듈의 위치 (타이어의 위치)를 검출하기 편하며 센서모듈의 신호발생 주기나 검출 로직은 다른 시스템 (ABS)과의 연동이나 센서모듈의 수신기능, 안테나 모듈의 송신 기능에 따라 다르게 설정된다. 현재 TPMS 전문 업체로는 독일의 BERU와 미국의 TRW가 있으며 쌍용자동차와 포르쉐, 벤츠, 폴크스바겐, 아우디, 랜드로버는 BERU 시스템을 사용하며 현대자동차는 미국의 TRW시스템을 적용한 것으로 보인다.




Knock 센서

터보차저 엔진의 열효율을 향상하기 위해 압축비가 높은 상태에서 점화하는 것이 바람직하지만, 압축비를 높이면 노킹이 발생하는데 노크 센서(knock sensor)의 역할은 노킹에 의하여 발생하는 4~7Hz의 진동을 감지하는 센서이다. 따라서 노킹에 의한 진동을 가속도계나 압전 소자로 감지하여 점화시기를 늦춘다.

- 압전식 노크 센서
압전 소자(Piezo - ceramic)를 이용한 센서로 진동(가속도) 때문에 전압이 발생하는 원리를 이용한 것으로, 엔진의 내부에서 이상 연소(노킹: 조기점화, Detonation)가 발생 시 전압이 심하게 변하는 것을 이용한 것이다.

-  전자유동 방식 노크센서
코일 속에 자석의 철심을 넣고 철심의 끝 부분에 진동자를 설치하여, 철심과의 사이에 작은 틈새를 두어 실린더 블록의 진동에의해 진동자 진동을 하면 진동자와 철심 사이의 간극이 변화하여 코일 속의 자속이 변화하고 코일 속의 자속이 변화하면, 전자유도 원리에 의해 코일속의 기전력이 변화하는 원리를 이용한 것이다.

수소 센서

앞으로 수소의 중요한 사용처가 될 것으로 보이는 수소연료전지차량의 안전 시스템은 고압가스로 저장되는 수소의 누출을 감지하는 센서, 온도와 압력을 감지하는 센서 외에 수소저장탱크의 주 밸브를 자동차단하는 장치를 장착하여 후방충돌 등 위험 상황이 발생할 때에 차량 운전자와 승객을 보호할 수 있도록 하고 있다. 특히, 수소 연료 자동차의 상용화 연구가 고압으로 압축된 수소를 자동차에 적재하는 방향으로 추진되고 있기에 수소 누출을 검지할 수 있는 수소센서의 역할은 그 중요성이 더욱 커지고 있다고 할 것이다. 즉, 수소 저장용기를 높은 내구성과 내충격성을 가지도록 안전설계를 한다고 하더라도, 저장용기와 연료 전지 본체 사이와 같이 수소가 지나가는 연결부위는 취약할 수밖에 없어서 수소 누출의 우려가 있는 각 부분에 센서를 장착하여 수소 농도를 모니터하는 시스템을 갖출 필요가 있는 것이다.
수소 센서에 대한 미 에너지부의 기술적인 목표는, 농도 범위 0.1~10%에서 작동, 작동온도 -30~80℃, 응답시간 1초 이내, 정확도 5%, 수명 10년, 수소 이외의 가스, 수증기, 온도 등에 영향을 받지 말아야 한다. 이 외에, 대량생산, 작은 크기, 낮은 소모전력, 저렴한 가격 조건 등을 고루 갖출 것을 요구하고 있다.

수소센서의 종류와 특징
수소의 사용 환경 즉, 수소의 생산 방법 및 공정, 저장 방법, 수송수단, 이용 방법에 따라 적합한 규격이 정해진다. 현재 많이 연구 개발되고 있는 수소 센서는, 반도체식, 접촉연소식, FET(field effect transistor) 방식, 전해질식(전기화학식), 광섬유식, 압전식, 열전식 등이 있다. 이러한 센서의 측정 농도범위, 사용온도 범위, 압력범위, 불순물에 의한 간섭 효과에 따른 선택성, 고 정밀도의 민감성, 짧은 응답시간, 재현성, 장기 안정성, 수명, 가역성, 크기, 및 사용 환경에 따른 적절한 가격 등을 고려하여 새로운 센서가 개발되고 있다. 미 에너지부(DOE)의 지원을 받아 안전용 및 공정제어용 등으로 개발되고 있는 수소센서의 사양은 아래 표와 같다.
반도체식은 고농도의 수소기체 상태에서 포화하여 짙은 농도의 수소기체를 검지하는 것이 불가능하며, FET 타입과 광섬유식, 압전식은 공통으로 수소기체를 잘 흡착하는 팔라듐을 사용하는데, 고농도의 수소기체에 반복해서 노출될 경우 성능저하 등의 단점을 가지고 있다.



 

기술개발 및 주요업체 동향

수소에 대하여 고감도의 검지 성능을 유지하기 위해서는 일반적으로 수소센서용 검지 물질의 나노크기 합성 및 전도도 조절이 매우 중요하다. 현재 검지 물질의 나노입자 합성에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있지만 넓은 범위의 수소농도를 검지하고, 작은 크기, 낮은 전력소모, 저렴한 가격 등을 고루 갖추기 위해서는 MEMS 기술을 이용한 센서 구조체(structure)의 제작이 요구된다.
수소 흡착에 따라 광 투과도가 변화하는 가스채색 물질을 사용한 광센서는 센서에 직접 전기가 흐를 필요가 없기 때문에 전기방전에 의한 수소 폭발의 위험이 없다. 또한, 센서 물질과 센서회로 사이에 빛이 통하기만 하면 되기 때문에 원격적인 수소검출이 가능하고, 또한, 센서 물질과 센서회로를 광섬유로 연결할 경우 센서 부의 크기를 광섬유의 직경 정도인 수 mm이하로 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 대표적인 가스채색 물질인 산화 텅스텐, 산화 바나듐, 산회 루테늄이 수소 광센서로 연구 대상이 되고 있는데, WO3는 음극 채색물질이 고, V2O5나 RuO2는 양극 채색물질이다.
수소 센서 연구는 선진국인 미국, 일본, 독일 등의 국가에 의해서 주도적으로 연구되고 있다. 미국은 에너지부(DOE)의 지원 하에 NASA의 Lewis Research Center, Oak Ridge National Lab. (ORNL), National Renewable Laboratory (NREL), Sandia National Lab. 등의 연구 기관에서 광섬유형 수소 센서, MEMS에 기초한 팔라듐 합금과 열판 결합형 수소센서, 수소를 연료로 사용하는 자동차의 연료 라인에 이용 가능한 Pd/Ag 합금 고체상 수소센서, MEMS에 기초한 접촉연소식 수소센서, Pd 게이트 FET 수소센서 등의 연구가 수행됐다. 일본의 경우 신에너지 산업기술 종합개발 기구(NEDO)의 지원 하에 '수소 안전 이용 등 기반기술 개발사업'을 실시하여 큐슈 대학교, 도쿄 대학교, 오사카 공업시험소, 뉴 코스모스(New Cosmos)사 등의 연구기관에서 반도체 및 고체 전해질 형 수소센서 등의 연구와 액화 수소의 누출, 확산, 폭발 현상의 시험분석 및 시뮬레이션에 관한 연구가 수행됐다. 일본의 New Cosmos사에서는 반도체식의 센서를 생산하고 있으며, 수소에 대한 선택도를 높이기 위해 가스와 접촉하는 외부는 선택적 분리막으로 코팅되어 있다.
독일의 SWB, 프랑스의 CNRS 등도 수소 검지에 관한 연구를 진행하고 있다. 국내에서는 1985년부터 1990년까지 전 과학기술부 지원으로 한국과학기술원에서 Pd/LaF3 고체 전해질 게이트 FET를 이용한 수소기체 검지 센서 개발에 관한 연구와 1996년에 전력연구원의 지원으로 경북대 센서기술연구소에서 Pd/Pt 게이트 MISFET 혹은 Pd/NiCr 게이트 MISFET를 이용한 수소센서를 변압기의 유중가스 검지용으로 개발한 연구가 보고됐다. 국내의 수소 검지 연구는 이처럼 Pd/Pt 게이트 FET 형뿐만 아니라 수소에너지사업단의 과제로, 더넓은 수소기체농도를 검지할 수 있는 MEMS 접촉연소식 수소센서, 광센서 등 다양한 분야에 폭넓은 적용이 가능한 센서가 개발되었다.

근접 속도 센서

자동 긴급제동과 같은 ADAS 애플리케이션은 NCAP의 ★★★★★ 달성에 중요한 요소가 됐다. 이미 상용차에서 AEB는 2013년 하반기부터 의무 장착된다. 도심에서 발생하는 추돌 사고의 80%이상이 50km/h 이하에서 발생할 뿐만 아니라 50% 이상의 운전자가 추돌 시 브레이크를 전혀 밟지 못하는 것에 착안하여 콘티넨털사가 세계 최초의 전자동 추돌 방지 장치를 개발하여 볼보의 차량에 장착하였다.
앞 유리 상단의 레이저 센서를 통해 전방 10m 거리의 상황을 지속해서 모니터링하여 정지, 혹은 저속으로 주행 중인 차량이 감지되면 제동에 필요한 장치(Ready Alert Brake)를 활성화한다. 라이다 센서는 905nm 파장의 3파동 적외선 빛을 전송해 반영된 빛이 시신경에 도달할 때까지 비행시간(time of flight, TOF)을 측정한다. 빛의 속도와 TOF로부터 물체의 거리를 10cm까지 정확하게 계산한다.
운전자가 제동하지 않아 추돌 발생이 예측되면 차량 스스로 브레이크를 작동하여 추돌을 예방한다. 전방 차량과의 상대 속도 차이가 15km/h 이하일 경우 완전히 정지하며, 15km/h를 초과하는 경우 최대한의 제동으로 충돌 에너지와 충격을 최소화한다.
전파가 아닌 빛의 일종인 레이저 센서 방식을 사용하는 시티 세이프티는 혼선이나 전파방해로 인한 오작동의 가능성이 낮고 카메라를 사용하는 장비와는 달리 주/야간의 관계없이 작동하여 지하 주차장과 같이 어두운 장소에서도 전방 장애물 감지 및 작동이 가능하다. 뿐만 아니라 전방 장애물의 크기와 상관없이 주차장 입구의 차단봉과 같은 단면적이 작은 물체도 감지하여 무의식중에 발생할 수 있는 차량의 손상을 방지할 수 있다. 정체가 잦은 도심 주행, 졸음 운전으로 인한 가벼운 접촉하고 등을 예방할 수 있는 자동 제동 안전장치인 '시티 세이프티'는 차량의 엔진이 시동 되는 순간 활성화 된다.

- 카메라+레이저 센서 모듈
콘티넨털은 카메라와 레이저 센서를 통합한 SRLCAM이란 제품을 발표하였다. CMOS 카메라는 차량 전방 사물을 분류하는 데 사용돼 오고 있지만, 카메라만으로 자동 긴급제동을 위한 신뢰성 높은 데이터 제공에는 충분치 않다.
CMOS 카메라와 결합한 센서 모듈의 분석기기는 정확한 사물 분류 및 거리측정 모두 가능하게 됐다.
자동 제동이 작동하기 전에 양방향 신호를 비교해 정확한 결정이 이뤄질 수 있도록 한다. 특히 SRL-CAM400 모듈은 소형차를 염두에 두고 제한된 비용과 확장성에 포커스 한다.
SRL CAM은 스테레오 CAM, 레이더+CAM, 레이더 시스템에 비해 저렴하고 윈드 실드 위쪽에 장착돼 파손될 위험이 매우 낮다. 적용에 따라 계산능력은 초급, 기본, 고급의 3단계 수준으로 조정된다. 3가지 모든 변수에서 SRL-CAM400은 견고하고 신뢰성 있는 데이터를 제공해 자동 제동을 수행하며, 매우 작은 공간에서도 작동된다.
LDW, LKS, TSR, IHC와 같은 다른 ADAS 애플리케이션은 추가 선택사양으로 동일한 센서 모듈에서 함께 장착될 수 있다. 새 센서 모듈은 현재 시험생산 단계에 있고, 2015년부터 양산된다.



프로토타이핑 도구제

RT-maps
자동차의 미래는 자동차의 로봇화의 길로 진화하고 있다. 시간이 지날수록 자동차엔 기존에 없던 고성능 센서들이 하나둘 장착되고 자동차는 센서들로부터 오는 정보를 실시간으로 다루고 처리하는 능력이 요구된다.
Real Time Mines Automotive Prototyping System의 약자인 RT-maps는 프랑스 파리에 소지한 Mines ParisTech 공대의 로보틱스 랩 CAOR에서 개발하고 Intempora사에서 상용화한 자동차의 인공지능 시스템이나 센서의 프로토타입을 만드는 일을 쉽게 해주는 소프트웨어이다. 카메라, 레이더, 레이저, GPS 등 모든 타입의 센서들로부터 정보를 실시간으로 측정하고, 융합하고 원하는 아웃풋을 얻는 작업을 쉽게 해준다.
야외 실험 시, 실험한 때의 상황에서 측정된 모든 데이터에 시간을 입력하고 동기화하여, 실험실에 돌아와서도 재현 기능으로 실제 야외실험 시의 상황과 같은 상황 안에서 시뮬레이션이 가능하다. 재현 시 재생시간을 빠르게 또는 느리게 조절가능해 실험 중인 어플리케이션의 동작 속도도 쉽게 테스트해 볼 수 있다.
이러한 기능들로 인해 실험 시간과 노력과 비용을 크게 줄여주는 장점과 빠른 프로토타이핑이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 다른 소프트웨어와도 쉽게 통신할 수 있다. 예를 들면 Matlab Simulink, Excel, ADAS RP, SiVIC 등과 같은 프로그램과 연동하여 사용할 수 있다.
해외에서는 그리 알려지지 않았지만, 프랑스 내부에서는 이미 많이 인정받고 널리 쓰이고 있다. 예를 들면 Renault, PSA, Thales, Air Bus, Valeo, INRIA, INSA와 같은 유명한 기업과 연구소들에서 실험과 프로토타이핑에 사용되고 있다.

SiVIC
또 하나의 프로토타이핑을 쉽게 해주는 프로그램이 있는데 바로 SiVIC ("Simulateur Ve´hicule-Infrastructure-Capteurs",Vehicle-Infrastru cture-Sensors Simulator)이다. 프랑스 LIVIC 연구소에서 개발하고 CIVITEC사에서 상용화한 소프트웨어로 가상 센서 프로토타이핑과 인공지능 운전자 보조시스템의 개발과 프로토타이핑에 안성 맞춤이다. 가능한 한 도로환경, 자동차 모델의 운동양식, 그리고 가상센서들의 기능들이 최대한 현실적으로 작동하게 하여 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 해준다.
사실 프로토타이핑은 실제 실험이기 때문에 시간과 비용과 노력이 많이 필요한 작업이다. 비슷한 센서들 중 선택이 필요한 경우엔 필요한 센서들을 모두 직접 구매하여 장착하고 테스트하고 비교해 보아야 하는데 비용이 많이 든다. 실제 도로에 나가서 실험해야 하는 경우는 실험의 위험성까지 따른다. 대신에 SiVIC을 사용하면, 가상센서들을 사용하여 비교 테스트가 바로 가능하고, 자동차의 아무 위치에 장착해보고 성능을 테스트할 수 있다. 여러 기본기능을 조합하여 새로운 센서를 디자인하고 칼리브레이션도 할 수 있다.
위험한 실험 상황도 바로 디자인해서 현실적인 시뮬레이션이 가능하다. 실제 실험에서 충돌이 일어나면 굉장히 위험하지만, 시뮬레이션 상황에서는 얼마든지 마음 놓고 실험할 수 있고 이런 테스트를 통해 더 안전한 시스템을 개발할 수 있다. 자동차 모델도 실제 자동차와 거의 흡사하여 모든 ADAS 테스트가 가능하다.
예를 들어 RT-maps랑 연동하여 SiVIC 상의 가상센서들로부터 오는 데이터를 RT-maps에서 처리하고 계산된 컨트롤 신호를 SiVIC 상의 자동차에 입력으로 주어 실험하는 것이다. 여기서 좋은 결과를 얻을 경우 사용된 RT-maps 컴포넌트들을 SiVIC의 자동차 모델이 아닌 실제 자동차에 그대로 옮겨와 실험할 수 있는 장점이 있다. 이 둘의 조합의 인공지능 운전자 보조 시스템의 프로토타이핑에 최상의 조합이라고 할 수 있다.

결론

유로 NCAP 개정안에는 자동차 안전의 새 트렌드가 될 AEB와 LDW등이 중요 평가요소로 반영된다. 특히 이들 ADAS 애플리케이션은 자동차 제조업체 모델의 ★★★★★획득에 핵심 포인트가 된다. NCAP의 평가 항목은 대부분 법제화 논의를 거쳐 의무 장착화되는데,
이미 상용차에서 AEB는 2013년 하반기부터 의무 장착된다. 유럽 뿐만 아니라 미국의 NCAP도 전방충돌경고(FCW) 또는 AEB, LDW가 ★★★★★달성의 필수 요소가 됐고 2015년을 전후로 대부분 의무 장착화 될 전망이다.
이러한 시스템들은 지능형 센서가 필수 요소이며 규제화로 인해 그 시장 규모가 매우 커지고 있다. 이 사업 결과를 바탕으로 국내에 자동차용 지능형 센서 산업을 새로운 블루오션으로 제시하면서 국내 자동차 산업의 고도화 필요성을 강조할 수 있다. 해외에서 이미 여러 센서 개발을 오래전에 시작한 만큼 이를 벤치마킹하고 후발주자이지만 IT 기반이 탄탄한 국내의 기술 이점을 최대한 활용한다면 지능형 센서에 있어서 오히려 더 앞선 성과를 낼 수도 있다.
세계 최고인 한국의 최첨단 IT 기술을 자동차 산업에 접목하면 한국이 미래세계 자동차 산업의 중심에 설 수 있을 것이다. 이러한 지능형 센서 산업 육성은 엄청난 산업 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다. 자동차 제조 기술의 융·복합화에 따라 자동차용 무선통신 기기, 콘텐츠, 텔레매틱스 기기, 소재기술 등 첨단 IT산업을 비롯해 첨단 BT, NT 산업 분야에서도 동반성장이 가능할 것이다.      <끝>

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